纖維特征對(duì)紙張結(jié)構(gòu)和性能影響

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用目 錄纖維特征對(duì)紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響1摘要 3第一章前言3第二章紙張介紹4第三章纖維特征5第一節(jié)纖維的長(zhǎng)度7第二節(jié)纖維的粗度8第三節(jié)纖維的強(qiáng)度8第四章與紙張結(jié)構(gòu)的關(guān)系9第一節(jié)成形性能9第二節(jié)緊度9第三節(jié)光散射系數(shù)10第五章抗張強(qiáng)度11參考文獻(xiàn)13致謝 141/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用摘要纖維特征在造紙過程中影響紙頁的結(jié)構(gòu)，并決定紙頁的性能。本文主要概述了造紙纖維的幾種重要特征，如纖維長(zhǎng)度、纖維粗度、纖維的內(nèi)在強(qiáng)度，并分別從微觀和宏觀的角度，分析了纖維的特征對(duì)紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響關(guān)系。b5E2RGbCAP第一章前言紙張是以纖維為主體的多相網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，并具有各向異性、

2、多孔性、柔軟性和再利用性等特點(diǎn)。造紙用纖維主要包括植物纖維，如木材纖維、草類纖維、棉麻纖維等，和非植物纖維，如化學(xué)纖維、無機(jī)纖維、微生物纖維等。不同的纖維種類和特征，其成紙性能的差異很大。 p1EanqFDPw關(guān)于纖維特征和紙張性能之間的關(guān)系，通常有兩種研究方法1 ：<1）對(duì)漿進(jìn)行分級(jí)或以不同的原料制漿，以獲得具有不同特性的纖維，并通過打漿來改變纖維和紙頁的性能，研究紙張對(duì)纖維性質(zhì)的依賴關(guān)系。但由于纖維各種性質(zhì)之間的相互關(guān)聯(lián)以及打漿導(dǎo)致纖維性質(zhì)的改變，很難確定單個(gè)因素的影響； DXDiTa9E3d<2）用不同尺寸的人造纖維抄片，研究纖維特征對(duì)成紙性能的影響。雖然能獲得纖維與紙頁性能

3、之間實(shí)驗(yàn)關(guān)系，但對(duì)真實(shí)的紙漿是否適用尚存疑慮。 RTCrpUDGiT2/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用第二章紙張介紹紙張是一種非勻質(zhì)材料，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜， 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可歸納 為如下幾方面：<1）具有多種元素：纖維、填料、膠料和色料等，其中纖維是紙張結(jié)構(gòu)最基本的元素，纖維原料的種類和加工方法不同，紙張的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也各不相同。填料、膠料等也因品種不同而有性能差異。<2）纖維、填料、膠料和色料在紙頁 X-Y-Z3 個(gè)方向上的分布具有各向異性，表現(xiàn)在纖維的排列方向不同，不同尺寸的纖維分布不同，以及填料、膠料、色料和空氣含量等的分布不同。這種結(jié)構(gòu)的各向異性，主要決定于抄紙的方法和使用的設(shè)備。<

4、;3）大多數(shù)紙張具有兩面性，即紙張兩面的性質(zhì)不同。<4）紙張具有孔隙結(jié)構(gòu)，紙張的多孔結(jié)構(gòu)<孔隙率）決定了紙張具有透氣性、吸濕性、吸收性和可壓縮性，這是紙張能吸收水、油墨等液體物質(zhì)的基礎(chǔ)。<5）纖維、填料、膠料和色料之間的結(jié)合決定著紙張的機(jī)械強(qiáng)度和與其他物質(zhì)的結(jié)合力。 5PCzVD7HxA第三章纖維特征纖維特征的重要性體現(xiàn)在兩方面：一是在造紙過程中影響紙頁結(jié)構(gòu)的成形，二是決定紙頁的性能。造紙用紙漿包括機(jī)械漿和化學(xué)漿，他們對(duì)于紙張性能的影響不同，紙張結(jié)構(gòu)取決于纖維尺寸和濕纖維的機(jī)械性能，干纖維和紙張的機(jī)械性能則取決于他們干燥時(shí)的壓力 2 。jLBHrnAILg3/14個(gè)人資料整理

5、僅限學(xué)習(xí)使用纖維素分子結(jié)構(gòu)纖維素纖維的性能包括纖維間的結(jié)合力、纖維的尺寸和漿料準(zhǔn)備及化學(xué)品添加階段的優(yōu)化性能 3 。纖維長(zhǎng)度、粗度和強(qiáng)度是造紙纖維的三個(gè)基木性質(zhì)，與成紙的性能有著密切的關(guān)系。前者反映了纖維形態(tài)的基本特征，對(duì)紙張的物理性能和印刷性能影響較大，對(duì)紙頁的吸收性和孔隙率影響更大 4 。 xHAQX74J0X圖 1不同的漿種和處理方式，所得纖維的特性也有很大差異。由圖 1<圖中紙漿均為商品漿，由松樹、云杉、樺樹和白楊組成）可以看出，針葉木漿纖維長(zhǎng)度分布高于機(jī)械漿和闊葉木漿，但寬度分布的區(qū)別級(jí)別則沒有那么顯著，即不同漿料4/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用纖維的寬度平均值差別不大。另外，

6、不同漿種的壁厚和橫截面積分布反映的平均值差異不大，但橫截面積大的纖維，其細(xì)胞壁厚度也大。 LDAYtRyKfE紙漿纖維的尺寸在造紙流程中不斷變化。在化學(xué)制漿和漂白過程中，木素和半纖維素從纖維細(xì)胞壁上溶出，纖維變得更薄而更柔軟。機(jī)械處理，如混合、打漿、增濃等，使纖維發(fā)生變形，導(dǎo)致纖維卷曲，從而影響纖維長(zhǎng)度?；瘜W(xué)漿的纖維由 5%-10%細(xì)小纖維、 30%中間組分和保留的長(zhǎng)纖維組分組成，機(jī)械漿中的纖維組分則各占 1/3 。Zzz6ZB2Ltk纖維素紙卷纖維的長(zhǎng)度、粗度和強(qiáng)度是造紙纖維的三個(gè)基本性質(zhì)，與紙張的性能有著密切的關(guān)系。前兩者反映了纖維形態(tài)的基本特征，纖維長(zhǎng)度和強(qiáng)度的變化主要影響紙頁的強(qiáng)度，而

7、纖維粗度的影響幾乎遍及所有紙頁的性質(zhì)。 dvzfvkwMI15/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用5圖 1 不同漿種的纖維長(zhǎng)度、寬度、纖維壁厚、橫截面積分布特性曲線第一節(jié)纖維的長(zhǎng)度長(zhǎng)度是造紙纖維的一個(gè)最重要特征。紙漿纖維的平均長(zhǎng)度與紙張綜合強(qiáng)度存在著密切的相關(guān)性 6 ，長(zhǎng)纖維可以提供更大的結(jié)合面積與更好的作用應(yīng)力分布，在纖維之間產(chǎn)生更多的鍵結(jié)合，使得纖維網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度更大。濕紙頁的強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加而迅速增加?？箯垙?qiáng)度、撕裂度、耐破度業(yè)雖纖維長(zhǎng)度提高而改善。但長(zhǎng)度增加到一定程度時(shí)，在紙漿懸浮液中極易絮聚成團(tuán)，對(duì)紙頁勻度有負(fù)面作用，甚至降低紙頁強(qiáng)度。 rqyn14ZNXI纖維長(zhǎng)度以及柔韌度、細(xì)度和紙頁密度

8、控制各單根纖維所產(chǎn)生的纖維接觸面積，因此，纖維的長(zhǎng)度對(duì)紙張結(jié)構(gòu)有很大的影響。較寬的、較厚的長(zhǎng)纖維使挺度增加，粗長(zhǎng)的纖維不易壓潰，所以可獲得較高的松厚度、接觸面積少而更疏松的結(jié)構(gòu)，以及較低的耐破度和抗張強(qiáng)度。 EmxvxOtOco6/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用纖維長(zhǎng)度本身作為主要的紙漿質(zhì)量參數(shù)，并不具有現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)槔w維的規(guī)格，如長(zhǎng)度、寬度、細(xì)胞壁厚度和粗度等，都是相互聯(lián)系的，只有綜合考量，才能科學(xué)評(píng)價(jià)其對(duì)制漿造紙的影響，進(jìn)而確定纖維特征與紙張性能的關(guān)系。SixE2yXPq5第二節(jié)纖維的粗度纖維粗度是指單位纖維長(zhǎng)度的質(zhì)量，以 100m長(zhǎng)纖維的絕干質(zhì)量 ( mg> 表示。粗度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

9、： C=d×105/n, d 是單位容積重量， n 是每平方毫 M的纖維數(shù)量。粗度在抄紙中與纖維長(zhǎng)度一樣重要，但由于其測(cè)量較難而很少應(yīng)用。造紙用的最粗纖維，其粗度可超過30mg/100m，而極細(xì)小纖維則小于l0mg/100m7 。6ewMyirQFL粗度對(duì)紙張的多數(shù)強(qiáng)度性能、空氣和液體滲透性以及表面平滑度均有重要的影響。粗度與每克重的纖維數(shù)之間有一個(gè)相反的關(guān)系，它可影響紙張的許多強(qiáng)度性能。 Sastry 發(fā)現(xiàn)在纖維質(zhì)量和長(zhǎng)度之間有接近線性的關(guān)系，并指出較長(zhǎng)的木材纖維一般比短纖維要粗一些。粗度對(duì)確定紙漿質(zhì)量很重要，對(duì)紙張的性能有很大的影響，它通常不受打漿的影響。 kavU42VRUs第

10、三節(jié)纖維的強(qiáng)度圖 27/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用如圖 2 所示，植物纖維的強(qiáng)度比許多工程材料還要大，但紙頁強(qiáng)度并不高，纖維本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于由其組成的紙張強(qiáng)度。這一方面說明單根纖維的強(qiáng)度并不能決定紙頁的強(qiáng)度，另一方面也表明紙頁的強(qiáng)度取決于多種因素，包括纖維間的結(jié)合強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度和纖維本身固有強(qiáng)度，真正決定紙張強(qiáng)度的是纖維纖維的結(jié)合強(qiáng)度。要提高紙張強(qiáng)度，必須從提高纖維纖維的結(jié)合強(qiáng)度著手。y6v3ALoS89纖維的強(qiáng)度一般用零距離抗張強(qiáng)度值表示。隨著紙頁緊度的增加，纖維的強(qiáng)度對(duì)紙張抗張強(qiáng)度和耐破度的影響更大。最近的研究認(rèn)為，在一定抗張強(qiáng)度時(shí)的撕裂度與纖維強(qiáng)度的立方幾乎成正比。纖維的強(qiáng)度愈大，其借

11、助于纖維間的結(jié)合力對(duì)紙張強(qiáng)度所作的貢獻(xiàn)也就愈大。 M2ub6vSTnP第四章與紙張結(jié)構(gòu)的關(guān)系紙張是由纖維、輔料、空氣、水分組成的多相網(wǎng)絡(luò)式孔狀材料。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與纖維和鍵合微觀特性之間的聯(lián)系來自于紙張干燥過程 <纖維網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力），這種內(nèi)應(yīng)力是局部性的，作用于纖維內(nèi)部和纖維之間。宏觀上，這種內(nèi)應(yīng)力為零，它取決于纖維收縮的各向異性，干燥時(shí)作用于紙頁。 0YujCfmUCw第一節(jié)成形性能在造紙濕部影響紙張勻度的兩個(gè)主要參數(shù)是：纖維間結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量及其結(jié)合強(qiáng)度，他們同時(shí)也影響纖維懸浮液的強(qiáng)度。纖維之間接觸點(diǎn)增加，可提高纖維懸浮液的強(qiáng)度，卻破壞了紙頁的勻度。受纖維懸浮液濃度和纖維尺寸影響的絮聚因子，

12、可用來表示纖維間的結(jié)合點(diǎn)數(shù)量 9 。eUts8ZQVRd紙張的勻度與纖維的長(zhǎng)度和粗度有著密切的關(guān)系。對(duì)于未漂的硫酸鹽漿，隨著纖維長(zhǎng)度的降低，其紙頁的勻度提高。長(zhǎng)纖維紙頁成形差，主要是由于在抄片過程中長(zhǎng)纖維的絮聚程度較大，而短纖維易流動(dòng)、濾水好，形成的紙頁較均勻。對(duì)于纖維的粗度，有著類似的結(jié)論，即纖維越細(xì)，其勻度越好，越有利于成形。 sQsAEJkW5T8/141200kg/m3 以個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用第二節(jié)緊度當(dāng)纖維的長(zhǎng)度和粗度都較低時(shí)，纖維的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有更加緊湊的趨勢(shì)。隨著纖維長(zhǎng)度的降低，所形成紙頁的緊度提高。類似的，紙張緊度隨纖維粗度的增大而下降。紙張緊度的主要影響因素是纖維的粗度、細(xì)纖

13、維化、干燥時(shí)的起皺性及漿中細(xì)小纖維含量。而纖維粗度對(duì)紙張緊度的影響可能是由纖維粗度對(duì)纖維的濕柔韌性的影響所致，因?yàn)榇侄仍酱蟮睦w維其濕柔韌性相對(duì)越小，因而在紙頁成形時(shí)，纖維間的交織面積及結(jié)合力相對(duì)也越小，從而使紙張的緊度也越小。粗度較大的纖維細(xì)胞壁較厚，單位質(zhì)量漿中纖維數(shù)目少，因而造出的紙松厚、多孔和粗糙。同時(shí)由于其比表面積較小，可供光射散的面積較少，因而構(gòu)成的紙頁不透明度較低。GMsIasNXkA第三節(jié)光散射系數(shù)低粗度的纖維意味著較為細(xì)小并具有較多的結(jié)合面積，使未結(jié)合面積( 非光學(xué)接觸面積 >減少，而光的反射和散射只能發(fā)生在未結(jié)合面積上，因此漿張的散射系數(shù)和不透明度，隨著纖維粗度的下降而

14、降低 10 。TIrRGchYzg未鍵合纖維的光散射系數(shù)來自于比表面積或單位質(zhì)量面積。如圖3 所示，纖維細(xì)胞壁厚越小，化學(xué)漿纖維的光散射系數(shù)Sf 越高，例如早材纖維。機(jī)械漿纖維由于比表面積較低，比化學(xué)漿纖維散射的光少。機(jī)械漿纖維成紙具有更加多孔和松厚的結(jié)構(gòu)，也與這種差異有一定聯(lián)系11 。 7EqZcWLZNX細(xì)小纖維大的比表面積使其具有高的鍵合能力，從而有利于紙頁鞏固?；瘜W(xué)和機(jī)械漿的細(xì)小纖維的惡影響由于不同的表面化學(xué)和比表面積而不同。機(jī)械漿的細(xì)小纖維比化學(xué)漿的粗糙、硬挺。全化學(xué)漿成紙的表觀緊度可達(dá)上，而機(jī)械漿成紙則大約 500kg/m3。lzq7IGf02E機(jī)械漿的細(xì)小纖維組分對(duì)成紙光散射系數(shù)

15、有很大影響，這是因?yàn)榧?xì)小纖維即使在紙頁中也保留一些外露區(qū)域。機(jī)械漿未鍵合細(xì)小纖維的光散射系數(shù)Sf 可以達(dá)2以上，相比之下，化學(xué)漿的細(xì)小纖維幾乎都成鍵，Sf 可低達(dá) 5到 100m/kg2m/kg. 。zvpgeqJ1hk由圖 4 可知，當(dāng)添加化學(xué)漿細(xì)小纖維時(shí)，紙頁緊度增加，但光散射系數(shù)維持恒定或略微降低；當(dāng)添加少量機(jī)械漿細(xì)小纖維時(shí)，有類似的變化趨勢(shì)，但添加量較大，紙頁緊度恒定，光散射系數(shù)急劇增加。 NrpoJac3v19/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用第五章抗張強(qiáng)度其中為纖維長(zhǎng)度，為纖維粗度。公式顯示對(duì)任意NL 層的紙頁，每單位克重W，每單位寬度所需的力正比于纖維的長(zhǎng)度，反比于纖維粗度的平方；

16、f 是纖維纖維間的摩擦力， C是每單位纖維長(zhǎng)度的平均質(zhì)量。這些假設(shè)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本是吻合的，公式為我們展示了纖維本身的特型對(duì)紙頁性能的影響。1nowfTG4KI在一定的紙頁緊度時(shí)，抗張強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加而提高，由于長(zhǎng)纖維能提供更多的結(jié)合點(diǎn)，同時(shí)長(zhǎng)纖維本身具有較高的強(qiáng)度，有利于應(yīng)力均勻分布。但當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到某個(gè)值 (2. 95mm>時(shí)，繼續(xù)增加纖維長(zhǎng)度并不能導(dǎo)致抗張強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。這是因?yàn)楫?dāng)纖維達(dá)到一定長(zhǎng)度，有相當(dāng)多的結(jié)合點(diǎn)時(shí)，撥出纖維比拉斷10/14個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用纖維困難，此時(shí)抗張強(qiáng)度主要受纖維強(qiáng)度控制，不再隨纖維長(zhǎng)度的增加而變化。 fjnFLDa5Zo在不同的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下，由不

17、同纖維粗度的纖維抄得的紙張，其抗張強(qiáng)度隨纖維粗度的增加逐漸降低，這是因?yàn)榧垙埧箯垙?qiáng)度主要取決于纖維間的結(jié)合力。隨著纖維粗度的增加，比表面積減少，抗張強(qiáng)度下降。由纖維粗度較大的纖維抄得的紙張，其纖維間結(jié)合力相對(duì)要小一些，因而，其紙張的抗張強(qiáng)度也相對(duì)要小。另外，隨著打漿的進(jìn)行，提高了纖維結(jié)合力，紙頁的抗張強(qiáng)度也不斷增加。 tfnNhnE6e5細(xì)小纖維組分可以通過三種方式改善纖維結(jié)合：比結(jié)合強(qiáng)度 <類似膠水的作用）；纖維交叉部分的鍵合面積<結(jié)合邊界的累加）；纖維之間的結(jié)合數(shù)量 <拉近纖維）。因此 , 在纖維中加入細(xì)小組分 ( 也含有細(xì)小纖維組分 >可以提升抗張指數(shù)就很正常。1

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